一种运用于镁合金半连续铸造的新型冷却方法和装置与流程

本发明属于镁金属冶炼领域，尤其涉及一种运用于镁合金半连续铸造的新型冷却方法和装置。

背景技术：

半连续铸造技术广泛应用于镁合金行业制棒工艺，具体过程是：将镁液（实际上是镁合金的熔液，通常称为镁液或镁熔液）经过结晶器冷凝成半凝固态后从下方拉出，然后继续喷水冷却制成具有一定断面形状和一定长度的铸坯。铸造过程中通过机械施加了一定拉应力并采用快速冷凝工艺，从而使得制成品比常规铸造有着更好的机械性能。但是由于镁金属的特殊活泼性，采用喷水直冷的方法，很容易导致：其一、镁液遇水发生剧烈反应而导致燃烧甚至爆炸等意外事故发生；其二、镁棒高温下遇水会发生较强烈的化学反应，而造成镁棒表面氧化腐蚀而出现凹坑不平现象，表面颜色发黑发黄发绿等。上述问题影响了镁金属冶炼的质量和安全。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种运用于镁合金半连续铸造的新型冷却方法和装置的技术方案，提高镁合金半连续铸造的质量和安全性。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种运用于镁合金半连续铸造的新型冷却方法，包括：

a.对镁液进行一级冷却，将镁液有序凝结；

b.将凝结的镁液有序向下方拉出，并进行二级冷却使其形成铸坯；

在步骤b中，采用保护气体进行所述二级冷却，并对所述保护气体进行冷却降温。

更进一步，为了有效保护镁合金铸坯，所述保护气体为六氟化硫和二氧化碳（co2）的混合气体，其中二氧化碳的质量百分比大于90%。

更进一步，为了使镁合金铸坯迅速降温，在步骤b中，所述保护气体在进行二级冷却前，采用干冰对所述保护气体进行冷却降温。

更进一步，另一种使镁合金铸坯迅速降温的方法是，在步骤b中，所述保护气体在进行二级冷却前，采用冷冻液对所述保护气体进行冷却降温；所述保护气体在进行二级冷却过程中，采用二级冷却水套对所述保护气体进行冷却降温，所述二级冷却水套中通入水或冷冻液。

一种运用于镁合金半连续铸造的新型冷却装置，包括结晶器和引锭头，所述结晶器设有对镁液进行一级冷却的一级冷却器，其特征在于，所述结晶器的下方设有对镁合金铸坯进行二级冷却的二级冷却器，所述二级冷却器设有包围所述引锭头、并通入保护气体的二级冷却气腔，所述二级冷却气腔是随所述引锭头移动而伸缩的腔体。

更进一步，为了使镁合金铸坯迅速降温，所述二级冷却气腔的进气口连接干冰冷却室，所述干冰冷却室内填充有干冰，所述干冰冷却室内设有干冰隔板。

更进一步，为了保证干冰的充足供给，所述干冰室连接一台连续干冰给料机。

更进一步，另一种使镁合金铸坯迅速降温的装置是，所述装置设有制备冷冻液的制冷机、冷却罐、保护气储罐和保护气循环风机，所述制冷机将所述冷冻液输送到所述冷却罐；所述冷却罐内设有热交换器，所述保护气循环风机是使所述保护气体通过所述热交换器循环流动的风机；所述保护气储罐的第一输出接口设有第一控制阀门，所述第一控制阀门连通所述二级冷却气腔的输入接口，所述保护气储罐的第二输出接口设有第二控制阀门，所述第二控制阀门连通所述热交换器的输入接口，所述二级冷却气腔的输出接口设有第三控制阀门，所述第三控制阀门连通所述热交换器的输入接口；所述保护气储罐的输入接口连通所述热交换器的输出接口。

更进一步，所述二级冷却气腔的外围设有二级冷却水套，所述二级冷却气腔的外壁是金属波纹管，所述二级冷却水套的外壁是带有加强金属丝的橡胶波纹管。

更进一步，所述装置设有制备冷冻液的制冷机、冷却罐和冷冻液循环泵，所述冷冻液循环泵是使所述冷冻液通过所述冷却罐循环流动的水泵；所述冷却罐的输入接口通过管道连接所述制冷机的输出接口，所述冷却罐的输出接口通过三通连接第四控制阀和第五控制阀，所述第四控制阀连通所述制冷机的输入接口，所述第五控制阀连通所述二级冷却水套的输入接口，所述二级冷却水套的输出接口设有第六控制阀，所述第六控制阀连通所述制冷机的输入接口。

本发明的有益效果是：采用保护气体对镁合金铸坯进行，避免了铸坯的氧化腐蚀，并采用了保护气体的冷却措施，使镁合金铸坯能够快速冷却，可显著提高镁合金铸坯的质量，能够使镁合金铸坯表面光洁、氧化腐蚀极小、棒材利用率高、后续加工费用低。同时还能够杜绝发生燃烧爆炸事故。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

附图说明

图1是本发明系统图，采用干冰对保护气体进行冷却降温，保护气体非循环利用；

图2是本发明系统图，采用干冰对保护气体进行冷却降温，保护气体循环利用；

图3是本发明系统图，采用冷冻液对保护气体进行冷却降温；

图4是本发明结晶器、一级冷却器和二级冷却器结构图；

图5是本发明二级冷却器结构放大图；

图6是本发明拉出镁合金铸坯示意图；

图7是本发明的装置在拉棒机上的结构图。

具体实施方式

一种运用于镁合金半连续铸造的新型冷却方法，包括：

a.对镁液进行一级冷却，所述一级冷却在结晶器中进行，所述结晶器采用一级冷却器对镁液进行冷却，一级冷却器是一级冷却水套，一级冷却器使镁液缓慢有序地初步凝结，通过控制冷却水量和温度来保证镁液在下降到结晶器底部之前刚好凝结成固态。

b.将凝结的镁液有序向下方拉出，使其形成镁合金铸坯。并在这过程中进行二级冷却。为了保证镁合金铸坯的质量和生产安全，采用保护气体进行所述二级冷却，并对所述保护气体进行冷却降温。

所述保护气体为六氟化硫和二氧化碳的混合气体，其中二氧化碳的质量百分比大于90%。六氟化硫可以使镁合金铸坯表面形成一层保护膜，六氟化硫还可以吸收氧气，保护镁合金铸坯。

保护气体在进行二级冷却过程中循环使用。

为了提高冷却效果，在步骤b中，对所述保护气体在进行二级冷却前进行冷却降温。

二级冷却前进行保护气体冷却降温的方法之一是，采用干冰对所述保护气体进行冷却降温。

二级冷却前进行保护气体冷却降温的方法之二是，采用冷冻液对所述保护气体进行冷却降温。冷冻液可由制冷机制备。冷冻液是在低温状态下不冻结的液体，可采用乙二醇溶液。冷冻液的温度可达到-25℃～-20℃。经过冷却降温的保护气体的温度可达到-10℃～-5℃。

为了进一步提高二级冷却的效果，所述保护气体在进行二级冷却过程中，采用二级冷却水套对所述保护气体进行冷却降温，所述二级冷却水套中通入水或冷冻液。使保护气体被二级冷却水套围绕，二级冷却水套中的液体吸收保护气体中的热量，使保护气体降温。二级冷却水套中可以采用常温的水或冷冻液。

如图1至图6，一种运用于镁合金半连续铸造的新型冷却装置，包括结晶器10和引锭头20，所述结晶器设有对镁液进行一级冷却的一级冷却器11，所述结晶器的下方设有对镁合金铸坯进行二级冷却的二级冷却器30，所述二级冷却器设有包围所述引锭头、并通入保护气体的二级冷却气腔31，所述二级冷却气腔是随所述引锭头移动而伸缩的腔体。

所述二级冷却气腔的进气口连接干冰冷却室32，所述干冰冷却室内填充有干冰，所述干冰冷却室内设有干冰隔板33。

所述干冰室连接一台连续干冰给料机3c。

如图3所示，所述装置设有制备冷冻液的制冷机40、冷却罐50、保护气储罐60和保护气循环风机61，所述制冷机将所述冷冻液输送到所述冷却罐；所述冷却罐内设有热交换器51，所述保护气循环风机是使所述保护气体通过所述热交换器循环流动的风机；所述保护气储罐的第一输出接口设有第一控制阀门62，所述第一控制阀门连通所述二级冷却气腔的输入接口37，所述保护气储罐的第二输出接口设有第二控制阀门63，所述第二控制阀门连通所述热交换器的输入接口52，所述二级冷却气腔的输出接口38设有第三控制阀门64，所述第三控制阀门也连通所述热交换器的输入接口52；所述保护气储罐的输入接口65连通所述热交换器的输出接口53。

所述二级冷却气腔的外围设有二级冷却水套34，所述二级冷却气腔的外壁35是金属波纹管，所述二级冷却水套的外壁36是带有加强金属丝的橡胶波纹管。

所述装置设有制备冷冻液的制冷机40、冷却罐50和冷冻液循环泵41，所述冷冻液循环泵是使所述冷冻液通过所述冷却罐循环流动的水泵；所述冷却罐的输入接口54通过管道连接所述制冷机的输出接口42，所述冷却罐的输出接口55通过三通连接第四控制阀56和第五控制阀57，所述第四控制阀56连通所述制冷机的输入接口43，所述第五控制阀57连通所述二级冷却水套的输入接口39，所述二级冷却水套的输出接口3a设有第六控制阀58，所述第六控制阀58连通所述制冷机的输入接口43。

实施例一：

如图1、图4、图5、图6，一种运用于镁合金半连续铸造的新型冷却装置，包括结晶器10和引锭头20。结晶器安装在一台拉棒机12的升降台13上。引锭头随升降台向下移动时拉出镁合金铸坯。

结晶器设有对镁液进行一级冷却的一级冷却器11，一级冷却器是一个一级冷却水套。一级冷却水套设有输入接口14和输出接口15。输入接口14连接水源，本实施例的水源是一台水泵16从冷却水池中抽取的常温水。

结晶器的下方设有对镁合金铸坯进行二级冷却的二级冷却器30，二级冷却器设有二级冷却气腔31，二级冷却气腔的外壁35是包围引锭头金属波纹管，引锭头上下移动时，金属波纹管随之伸缩，使二级冷却气腔随引锭头移动而伸缩。二级冷却气腔的上端设有输入接口37，二级冷却气腔的下端设有输出接口38。二级冷却气腔通过输入接口通入保护气体。本实施例的保护气体是六氟化硫和二氧化碳的混合气体，其中二氧化碳的质量百分比大于90%，保护气体由一只二氧化碳气瓶71和一只六氟化硫气瓶72提供。保护气体从输出接口38排出。

二级冷却气腔的进气口连接一个干冰冷却室32，干冰冷却室内填充有干冰，干冰冷却室内设有干冰隔板33，干冰隔板盖在干冰之上。环绕二级冷却气腔设有一圈通气孔3b，可使大流量保护气体进入二级冷却气腔。保护气体在干冰冷却室中冷却后进入二级冷却气腔。为了保证干冰的充足供应，干冰室连接一台连续干冰给料机3c。连续干冰给料机是一台星形给料机，将干冰仓3d中的干冰连续输送到干冰冷却室中，使干冰连续投入对保护气体进行冷却降温。

在二级冷却气腔的外围设有二级冷却水套34，二级冷却水套的外壁36是带有加强金属丝的橡胶波纹管。二级冷却水套设有输入接口39和输出接口3a。二级冷却水套的输入接口39也连接水泵16，二级冷却水套也采用冷却水池中的常温水。

本实施例的工作流程包括：

a.对镁液70进行一级冷却，一级冷却在结晶器中进行，所述结晶器采用一级冷却器对镁液进行冷却，一级冷却器使镁液缓慢有序地初步凝结，通过控制冷却水量和温度来保证镁液在下降到结晶器底部之前刚好凝结成固态71。

b.引锭头20由升降台13带动，将将凝结的镁液有序向下方拉出，如图6所示，使其形成镁合金铸坯72。并在这过程中进行二级冷却。为了保证镁合金铸坯的质量和生产安全，采用保护气体进行二级冷却，将二氧化碳气瓶71和六氟化硫气瓶72中的气体按配比输入二级冷却气腔31，使镁合金铸坯冷却。为了提高冷却效果，对保护气体在进行二级冷却前进行冷却降温。本实施例采用干冰对所述保护气体进行冷却降温，干冰具有很低的温度，可以大量吸收保护气体中的热量；且干冰升温后仅释放出二氧化碳气体，与保护气体中的主要成分相同。但由于镁合金铸坯含有较高的热量，保护气体在二级冷却气腔中会很快升温。为了进一步提高二级冷却的效果，尽快使镁合金铸坯冷却、保证镁合金铸坯的质量，还需要对保护气体进行冷却降温。本实施例采用二级冷却水套对保护气体进行冷却降温，将冷却水通过输入接口39注入二级冷却水套，使保护气体被二级冷却水套围绕，作为二级冷却气腔外壁的金属波纹管具有良好的导热性能，二级冷却水套中的冷却水吸收保护气体中的热量，使保护气体降温。

本实施例采用新型冷却方式和装置，能够克服原有技术存在的缺陷，杜绝发生燃烧爆炸事故，能够使铸出的棒材表面光洁、氧化腐蚀极小、棒材利用率高、后续加工费用低、生产成本费用低。其症状结构简单，操作方便。不需要额外的冷却和循环回收装置，节省投资，适合于小规模的镁合金生产流程。

实施例二：

如图2，一种运用于镁合金半连续铸造的新型冷却装置。本实施例是实施例一的一种改进。

本实施例中，设有保护气储罐60和保护气循环风机61。预先配置好的保护气体存储在保护气储罐中。保护气循环风机使保护气体通过二级冷却气腔31和保护气储罐循环流动。本实施例中，保护气循环风机安装在连接干冰冷却室32和保护气储罐输出接口的管道上。

在二级冷却气腔的输出接口38处设有排气阀66。在工作流程开始前，先开启排气阀，启动保护气循环风机，将二级冷却气腔内的空气排出。

本实施例中，保护气体在进行二级冷却过程中可以循环使用，避免了资源浪费和对环境的不利影响。可用于较大规模的镁合金生产流程。

实施例三：

如图3，一种运用于镁合金半连续铸造的新型冷却装置。本实施例是实施例一或实施例二的一种改进。

在实施例一或实施例二中，二级冷却前进行保护气体冷却降温的方法是采用干冰降温，但干冰的降温效率较低，难以在短时间内对大流量的气体大幅度降温。

本实施例采用冷冻液对保护气体进行冷却降温，设有制冷机40、冷却罐50、保护气储罐60和保护气循环风机61。冷冻液是在低温状态下不冻结的液体，可采用乙二醇溶液。制冷机上制冷设备，制冷机对冷冻液进行降温。经过制冷机的冷却，冷冻液的温度可达到-25℃～-20℃。制冷机将被冷却的冷冻液输送到冷却罐。

冷却罐内设有热交换器51，热交换器是在冷却罐内带有翅片的金属盘管。保护气体通过热交换器时吸收冷冻液的冷量，被冷却降温。经过冷却降温的保护气体的温度可达到-10℃～-5℃。

保护气循环风机是使保护气体通过热交换器循环流动的风机，本实施例中，保护气循环风机设置在热交换器的输入接口处，保护气循环风机的出风口连通热交换器的输入接口。保护气储罐的第一输出接口设有第一控制阀门62，第一控制阀门连通二级冷却气腔的输入接口37，保护气储罐的第二输出接口设有第二控制阀门63，第二控制阀门连通热交换器的输入接口52，二级冷却气腔的输出接口38设有第三控制阀门64，第三控制阀门还具有放气阀的功能，第三控制阀门也连通热交换器的输入接口52。保护气储罐的输入接口65连通热交换器的输出接口53。

本实施例还设有冷冻液循环泵41，冷冻液循环泵是使冷冻液在冷却罐和制冷机之间循环流动的水泵，本实施例的冷冻液循环泵设置在制冷机的输出接口42与冷却罐的输入接口54之间的管道中。冷却罐的输出接口55通过三通连接第四控制阀56和第五控制阀57，第四控制阀56连通制冷机的输入接口43，第五控制阀57连通二级冷却水套的输入接口39，二级冷却水套的输出接口3a设有第六控制阀58，所六控制阀58也连通制冷机的输入接口43。

在进行二级冷却过程之前，制冷机进行预冷操作，对冷冻液进行冷却降温。此时开启第四控制阀56，关闭第五控制阀57和第六控制阀58，冷冻液在冷冻液在冷却罐和制冷机之间循环，使冷却罐中的冷冻液保持在低温状态，尽量多地存储冷量。同时，开启第二控制阀门63，关闭第一控制阀门62和第三控制阀门64，保护气循环风机61使保护气体在热交换器51和保护气储罐60之间循环流动，对保护气体冷却降温，使保护气储罐中的保护气体尽量多地存储冷量。采用预冷操作可以预先存储冷量，可采用较小功率的制冷机即可满足生产需要，节省投资，提高效益。

在开始进行二级冷却工作流程时，关闭第四控制阀56，开启第五控制阀57和第六控制阀58，使冷冻液从二级冷却水套直径流入制冷机，经制冷机冷却降温后流入冷却罐，再流入二级冷却水套。由于流出二级冷却水套的冷冻液具有较高的温度，这样循环流程可提高制冷机的工作效能。同样，在保护气体的循环回路上，关闭第二控制阀门63，开启第一控制阀门62和第三控制阀门64，使保护气体从二级冷却气腔直接流入热交换器51，经热交换器冷却降温后流入保护气储罐60，再流入二级冷却气腔。由于流出二级冷却气腔的保护气体具有较高的温度，这样循环流程可提高热交换器的工作效能，获得更好的冷却效果。

本实施例进一步提高了装置的整体冷却效能。